陳楊明珠

摘要：采用室內模擬試驗，選取孝感市春暉湖與槐蔭湖的表層沉積物和相應上覆水，研究加入外源硫酸鹽對上覆水磷含量和形態(tài)變化的影響。結果表明，外源硫酸鹽可以促進上覆水中總磷（TP）、溶解態(tài)無機磷（SIP）、總溶解性磷（TSP）含量和pH增加，隨著培養(yǎng)時間的延長上覆水中總磷（TP）、溶解態(tài)無機磷（SIP）、總溶解性磷（TSP）的含量均有先升后降的趨勢，TP、TSP含量分別在第14、20天達到最大值，然后逐漸下降。兩湖泊的上覆水中溶解性磷（TSP）占較大比例，且以溶解態(tài)有機磷（SOP）為主要存在形式，顆粒磷（PP）含量較低。pH的增大可以促進沉積物中磷的釋放，主要通過增強厭氧菌的活性加速含磷有機物的分解來提高總溶解性磷含量。

關鍵詞：外源硫酸鹽；磷形態(tài)；湖泊水

中圖分類號：X524 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）17-4151-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.011

水體富營養(yǎng)化是水污染最主要的形式之一，過量營養(yǎng)物質的輸入可以加快藻類和其他水生植物繁殖速度，生物體經(jīng)過一系列生物化學反應產(chǎn)生有毒氣體，且水體中溶解氧含量降低，水質惡化，水生生物死亡，生物多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)的平衡被嚴重破壞[1]。磷是影響水體富營養(yǎng)化的關鍵營養(yǎng)元素，水體中磷的來源可分為外源磷和內源磷。當外源磷負荷量減少后，沉積物中內源磷會逐步釋放或稱之再生[2]，如玄武湖沉積物的磷年釋放量占全年磷入湖量的21.5%，嚴重影響湖泊初級生產(chǎn)力水平。沉積物中磷的釋放受pH、溶解氧、溫度、水力條件等多種因素的影響[3，4]。Hantke等[5]發(fā)現(xiàn)，在其研究的湖泊沉積物磷形態(tài)中，大約50%～60%的有機磷可被降解或水解為生物可利用磷形態(tài)，是沉積物中重要的“磷蓄積庫”。近年研究表明，外源硫酸鹽的加入可導致沉積物中蓄積的磷釋放間接引起水體富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化水體中沉積物與上覆水界面處于強烈的厭氧狀態(tài)，該環(huán)境適于硫酸鹽還原菌（SRB）增殖，SRB一方面對有機磷進行同化使磷在沉積物中滯留，另一方面又可以通過降解有機質及改變沉積物的氧化還原條件，促進有機磷釋放[6]。因此，硫酸鹽還原作用必然誘導一系列生物化學反應使湖泊上覆水磷含量發(fā)生相應變化。本研究將探究外源硫酸鹽引入后，湖泊沉積物轉化響應引起的湖泊水中不同形態(tài)磷含量的動態(tài)變化規(guī)律，對于水體富營養(yǎng)化的預測和防治具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2013年7月在孝感市春暉湖與槐蔭湖分別設置3個采樣點，利用彼得森采泥器采集各采樣點的表層沉積物，并在相應位置用水樣采集器于低于水面0.5 m處采集相應取樣點的上覆水，帶回實驗室待處理。

1.2 試驗設計

用500 mL塑料瓶，每瓶裝底泥100 mL，上覆水400 mL，共設置3個處理：空白組（CK）上覆水中不添加SO42-，第2組（SO42- 0.1）、第3組（SO42- 0.5）上覆水中輸入SO42-濃度分別為0.1、0.5 mol/L，每個處理設3個平行。于自然條件下培養(yǎng)60 d，分別于第0、6、14、20、30、40、60天用虹吸管吸取上覆水樣，每次取出100 mL水樣，然后補充相應體積原水樣于塑料瓶中，補充水樣時注意沿壁緩慢注入，避免擾動瓶內體系。

1.3 分析方法

分析流程見圖1。

總磷（TP）=總溶解態(tài)磷（TSP）+顆粒磷（PP），總溶解態(tài)磷（TSP）=溶解態(tài)無機磷（SIP）+溶解態(tài)有機磷（SOP）?？偭祝═P）和總溶解態(tài)磷（TSP）的測定，分別直接取處理水樣和經(jīng)0.45 μm微孔濾膜的處理水樣采用GB11893-1989過硫酸鉀-高溫高壓消解法，加入5%的過硫酸鉀，于高壓蒸氣滅菌鍋內加熱至120 ℃消解30 min，經(jīng)冷卻自然沉降后，定容至標線，按連續(xù)流動分析儀（AA3）中G189-97-1-MT7-酸消解全磷方法測定。溶解態(tài)無機磷（SIP）的測定，取通過0.45 μm微孔濾膜的處理水樣，按連續(xù)流動分析儀（AA3）中G103-93-9-MT7-磷酸鹽方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

各項數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel和DPS7.05數(shù)據(jù)分析軟件進行方差分析，分析硫酸鹽處理對各個變量的效應，在方差分析基礎上，用Duncan法做多重比較。

1.5 供試春暉湖與槐蔭湖上覆水基本理化性質

春暉湖與槐蔭湖上覆水樣的基本理化性質見表1。測定結果顯示，本研究供試上覆水中TP含量分為1.55和1.58 mg/L，根據(jù)地表水環(huán)境質量標準（GB 3838-2002）限值（湖、庫0.2 mg/L）屬于劣V類水體，遠超過富營養(yǎng)化發(fā)生水平，水體pH分別為7.71和8.09均呈弱堿性。

2 結果與分析

2.1 上覆水中總磷（TP）的變化

春暉湖與槐蔭湖水體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，供試水樣的TP含量均大于1.5 mg/L，遠遠超過富營養(yǎng)化出現(xiàn)時產(chǎn)生的濃度值（湖0.2 mg/L）。SO42-處理后不同時間取樣測定春暉湖與槐蔭湖上覆水TP的含量變化情況如圖2。由于處于模擬自然條件狀態(tài)下，兩湖泊3個處理的沉積物樣品均出現(xiàn)釋磷現(xiàn)象，導致上覆水樣中測定結果具有先上升后下降的變化趨勢。在0.1、0.5 mol/L外源硫酸鹽處理下，兩個湖泊上覆水的TP含量均在第14天時達到最大值，分別為3.33和3.11 mg/L，此后TP含量開始逐漸下降，在第20天后下降速度趨于平緩。

方差分析表明，春暉湖的試驗水樣在處理第六天時，3個處理的TP含量均差異達顯著水平，第14天時加入硫酸鹽的兩個處理TP含量差異不顯著但與CK比較差異極顯著；20 d后3個處理水樣的TP含量在1.51～2.07 mg/L之間變化，但加硫酸鹽處理均高于不加硫酸鹽處理。槐蔭湖硫酸鹽處理水樣的TP含量變化趨勢和春暉湖基本一致（圖2）。

2.2 上覆水中溶解態(tài)無機磷（SIP）的變化

磷在水體中常以游離的磷酸鹽離子形態(tài)存在，易被生物體富集，故磷酸鹽在環(huán)境水體中的含量具有一定的限制標準。春暉湖與槐蔭湖的SIP變化趨勢如圖3所示，對照的SIP含量變化較小，加入硫酸鹽的兩處理含量增幅顯著。SIP濃度在前20 d小幅增加，但在20 d之后SIP含量快速增長且在第30天達到最大值，此后春暉湖SIP含量有再緩慢上升的趨勢；槐蔭湖SIP含量則逐步下降并趨于平緩。方差分析表明，前20 d春暉湖水樣3個處理的SIP含量差異不顯著，20 d后加硫酸鹽處理的SIP含量顯著高于無硫酸鹽處理，且第60天0.1 mol/L硫酸鹽處理SIP含量是對照的3.74倍。

2.3 上覆水的總溶解性磷（TSP）變化

TSP的變化趨勢如圖4所示，因外源硫酸鹽的引入，兩湖泊上覆水的TSP含量均有先升后降的趨勢，對照雖然始終處于較低水平，仍然具有緩慢上升趨勢，且在第20天時增至最大值，隨后又逐漸下降。方差分析表明，兩湖泊水樣第六天和14天測定的TSP含量3個處理間差異不顯著，20 d后加入硫酸鹽的兩個處理與CK比較差異顯著。各處理間TSP含量隨著硫酸鹽濃度的增大而升高，但0.1 mol/L和0.5 mol/L硫酸鹽處理間差異不顯著。

2.4 上覆水的pH變化

春暉湖與槐蔭湖上覆水的pH變化如圖5所示，隨著SO42-的輸入湖泊水pH整體呈上升趨勢，且SO42-濃度越高pH增幅越大，第20天時對照水樣pH緩慢下降而硫酸鹽處理水樣繼續(xù)上升，培養(yǎng)到第60天時兩湖泊pH為SO42-0.5>SO42-0.1>CK。pH是控制沉積物磷生物有效性和加速湖泊富營養(yǎng)化的重要影響因素，沉積物中的磷在中性條件下釋放量最小，酸性和堿性條件均有助于沉積物磷的釋放[7]。第25～60天，加入硫酸鹽后春暉湖與槐蔭湖的上覆水pH在8.32和8.62之間，顯著高于對照水樣，呈現(xiàn)出一定的堿性，進而促進沉積物磷的釋放，提高TP、SIP和TSP的含量。

2.5 水樣pH和各形態(tài)磷含量分析

春暉湖和槐蔭湖水樣培養(yǎng)過程中pH和各形態(tài)磷的含量如表2和表3所示，上覆水總磷含量持續(xù)增加，其中溶解性總磷為主要存在形式，比例最高時占總磷量的90%以上。顆粒磷含量始終處于較低水平，春暉湖水樣多在10%以下，稍低于槐蔭湖水樣。硫酸鹽加入后，顆粒磷小幅增加然后降低趨于平緩。溶解態(tài)有機磷占可溶性磷的絕大部分，是溶解態(tài)無機磷含量的5～20倍，硫酸鹽處理后可溶性有機磷含量較對照有所降低可能與厭氧菌的活性增強加速含磷有機物的分解有關。3個處理pH都呈弱堿性，但與處理前湖水pH相比都有所增加，且隨時間延長處理間差異顯著，這說明厭氧微生物的活動及其對含磷有機物的分解，會影響水體的pH。

3 小結與討論

在自然狀況下，水體富營養(yǎng)化過程是緩慢發(fā)生的，隨著酸沉降、含硫酸鹽肥料的濫用、高濃度的SO42-工業(yè)廢水的不合理排放，湖泊水體硫酸鹽含量增加，可加速這一過程的進行。本試驗結果亦表明，外源硫酸鹽確實能夠促使上覆水中TP、SIP、TSP含量和pH顯著增加。沉積物是污染物及營養(yǎng)物質的閉蓄庫，當外源得到有效控制時，湖泊內源營養(yǎng)物質即沉積物中的營養(yǎng)物質再釋放是導致湖泊富營養(yǎng)化的一個重要原因[8]。Zak等[9]研究證實磷的活化與硫酸鹽輸入密切相關，外源硫酸鹽輸入量增加導致沉積物間隙水中溶解活性磷濃度顯著升高，且磷釋放率取決于沉積物中硫酸鹽的量。

硫酸鹽在水-沉積物界面會形成HCO3-并向上覆水體擴散，增加湖泊水體的酸性中和容量，使pH增加，本試驗結果亦表明，外源硫酸鹽輸入后導致pH顯著上升，高pH導致水體中磷元素的存在形態(tài)多以PO43-為主，底泥不易吸收，使得水體中可溶性磷含量增加。研究表明在沒有其他環(huán)境因素影響的情況下，湖泊沉積物的磷釋放量隨pH的升高而呈“U”形變化，即在中性范圍內，沉積物磷釋放量最小，酸性和堿性條件下都能促進磷的釋放，pH升高后，磷酸鹽的釋放以離子交換為主，即OH-與磷酸鹽陰離子發(fā)生競爭吸附位點，增加了磷的釋放[10]。硫酸鹽的輸入促使沉積物中發(fā)生硫酸鹽還原，進而進一步降低了氧化還原電位（Eh），而創(chuàng)造了更有利于釋磷的厭氧條件。

由于兩湖泊均是厭氧環(huán)境，有利于厭氧菌的活動，促進含磷有機物的分解，從而影響水體的pH。兩湖泊的上覆水中TSP、SOP為主要存在形式，PP含量一直很低，且PP增大導致TSP減小。pH的增大促進了磷的釋放，使水體中的SOP含量下降，TSP含量增加。

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